CN111220831B - 一种天线罩插入相位延迟测量方法 - Google Patents

一种天线罩插入相位延迟测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天线罩插入相位延迟测量方法，属于微波测量领域，该方法包括调整两个点聚焦透镜天线在天线罩上的焦斑位置相重合且两者成固定夹角；对矢量网络分析仪、点聚焦透镜天线A、点聚焦透镜天线B和稳相电缆进行预处理；设定测量条件下，矢量网络分析仪测量外表面加载金属反射层的天线罩的焦斑位置的S21参数相位
Figure DDA0002366668660000011
天线罩位置、设定测量条件不变，矢量网络分析仪测量内表面加载金属反射层的天线罩的焦斑位置的S21参数相位
Figure DDA0002366668660000012
通过插入相位延迟计算公式获得插入相位延迟的大小；本方法有效解决了现有透射法存在测量盲区以及现有反射法存在无法宽频测量、特定频率测量失效等问题，提供了一种无盲区、宽频带、高精度天线罩IPD测量方法，为天线罩IPD逐点精密测量提供了可行的工程化解决方案。

Description

一种天线罩插入相位延迟测量方法
技术领域
本发明涉及属于微波测量领域，尤其涉及一种天线罩插入相位延迟测量方法。
背景技术
雷达天线罩是集电气性能、结构强度、刚度、气动外形和特殊功能要求于一体的功能结构件，其主要作用是保护天线系统免受外部环境的影响，确保内部的天线系统具备良好的电磁工作环境。
天线罩IPD是其电性能主要参数之一，主要指电磁波透过天线罩产生的相位变化。由罩壁引起电磁波相位变化会导致天线增益损失、波束宽度变化、波束偏移及副瓣电平抬高，恶化机载/弹载雷达系统的制导精度。采用现有成型工艺制造的天线罩，由于材料不均匀性和成型工艺水平的限制，虽然半精加工后能够满足其几何形状和外形尺寸要求，但IPD(Insert Phase Delay,IPD)误差仍不能满足其公差要求，且极大地超过允差范围，从而影响了天线罩的电性能。因此，必须对天线罩的IPD进行测量，以保证天线罩电性能达标。
从测量原理出发，天线罩IPD测量方法可分为透射法和反射法两种。其中，透射法是通过检测透射电磁波相位变化来实现IPD精确测量。测试过程中，需保证电磁波以布儒斯特角入射到天线罩表面并在天线罩内部接收电磁波，实现IPD精确测量。然而受限于天线罩廓形及测量天线的尺寸，透射法往往存在较大测量盲区。不同于透射法，反射法是通过检测反射电磁波相位变化实现IPD精确测量。为此，反射电磁波检测装置可放置于天线罩外部，有效避免因天线罩内部空间狭小引起的测量盲区问题。西北工业大学的韦高、许家栋等提出了基于六端口反射计的反射式测量方法，韦高,许家栋提出的一种测量天线罩微波电厚度的简便方法，该方法中采用单探头测量方式，经由罩壁一侧短路模式，借助六端口反射计，获得复反射系数的相位变化，实现天线罩IPD测量。受制于六端口反射计的测试带宽及测试精度，该方法难以满足天线罩IPD多频带、高精度测量需求。上海无线电设备研究所的曾照勇、赵峰等提出了单喇叭IPD测量方法，“曾照勇,赵峰的导弹天线罩IPD测量仪研究，该方法采用单喇叭天线作为发射和接收装置，信号垂直入射到罩壁中，经由罩壁内侧反射面后获得相位延迟，实现对天线罩IPD的测量。由于天线罩罩壁四分之一波长阻抗变换效应，特定频率信号无法进入罩壁内，导致测量失效，且喇叭天线主瓣宽，方向性差，该方法难以满足天线罩IPD宽频带、高精度测量需求。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种天线罩插入相位延迟测量方法，该方法包括以下步骤：
S1:调整点聚焦透镜天线A与点聚焦透镜天线B的位置，使聚焦透镜天线A与点聚焦透镜天线B焦斑重合在天线罩上,且聚焦透镜天线A与点聚焦透镜天线B成固定夹角；
S2:对矢量网络分析仪、点聚焦透镜天线A、点聚焦透镜天线B和稳相电缆进行预处理；
S3:设定测量条件下，矢量网络分析仪对外表面加载有金属反射层的天线罩焦斑位置的S21参数相位
Figure BDA0002366668640000022
进行测量；
S4:天线罩位置、设定测量条件不变，矢量网络分析仪对内表面加载有金属反射层的天线罩焦斑位置的S21参数相位
Figure BDA0002366668640000023
进行测量；
S5：通过插入相位延迟计算公式获得插入相位延迟的大小。
进一步地，步骤S1中所述固定夹角为两倍的布儒斯特角。
进一步地，步骤S2中的预处理为：设置矢量网络分析仪测量S21参数模式及时域门门限区域、进行TRL校准。
进一步地，所述金属反射层采用铜箔或银箔构建。
进一步地，所述插入相位延迟计算公式如下：
Figure BDA0002366668640000021
其中，IPD表示插入相位延迟，h为天线罩罩壁厚度，c为真空中光速，f为电磁波频率，θ1为布儒斯特角。
进一步地，所述设定测量如下：入射角为布儒斯特角，点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B为平行极化模式。
由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种天线罩插入相位延迟测量方法，采用双点聚焦透镜天线实现天线罩反射电磁波逐点测量，利用介质材料对平行极化波在布儒斯特角入射情况下的全透波特性，避免传统反射测量方法中因电磁波垂直入射引起的特定频率测量失效问题。为满足反射电磁波相位变化测试需求，本发明在天线罩内外表面分别加载金属反射层，本方法有效解决了现有透射法存在测量盲区以及现有反射法存在无法宽频测量、特定频率测量失效等问题，提供了一种无盲区、宽频带、高精度天线罩IPD测量方法，为天线罩IPD逐点精密测量提供了可行的工程化解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的反射法测量IPD测量系统示意图；
图2为两个点聚焦透镜天线与天线罩摆放方式示意图；
图3为微波信号经天线罩外表面反射后的传播路径示意图；
图4为微波信号进入天线罩后经内表面反射的传播路径示意图；
图5为天线罩IPD实测值和理论值对比图；
图6为天线罩IPD实测值和理论值偏差曲线图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
采用本发明提出的测量方法对某型天线罩进行测量，天线罩罩壁厚度为10mm，相对介电常数为3.7，测量频率范围为8GHz-12GHz。
图1为本发明的反射法测量IPD测量系统示意图，该测量系统包括一台PC机、两条稳相电缆、一台矢量网络分析仪、点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B；
将所述矢量网络分析仪通过稳相电缆分别连接点聚焦透镜天线A(发射天线)与点聚焦透镜天线B(接收天线)，构成信号收发装置；
将矢量网络分析仪连接至PC机，利用PC机对测量数据进行分析和处理；
所述矢量网络分析仪采用安捷伦N5242A，点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B的焦距500mm，工作频率为8GHz-12GHz；
其他材料包括铜箔或银箔作为导电胶带，用于贴合天线罩内外表面，作为金属反射层。
一种天线罩插入相位延迟测量方法,步骤如下：
S1:将矢量网络分析仪设置在S21参数模式，测量带宽设置为8GHz-12GHz；
S2:连接矢量网络分析仪与点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B，将点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B为平行极化模式，图2为两个点聚焦透镜天线与天线罩摆放方式示意图；使透镜天线焦斑位置重合在一处,给定材料的布儒斯特角为θ1，则点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B之间的夹角为2θ1，布儒斯特角根据下列公式(1)：
Figure BDA0002366668640000041
由罩壁材料相对介电常数εr＝3.7，可确定布儒斯特角θ1为62.53°，则天线之间夹角为125.06°，两个点聚焦透镜天线镜面中心间距ΔL为443.63mm；
S3:将整套测量系统进行TRL校准，使得参考平面落在焦斑处,设置矢量网络分析仪的时域门门限区域，滤除多路径杂波，选择门限区域为-100ps至80ps之间，框定信号的主分量；
S4:将天线罩内外表面皆均匀贴满导电铜箔/银箔等导电胶带，令天线罩的外表面放置在焦斑处，调整天线罩位姿，使得入射角为布儒斯特角θ1，图3为微波信号经天线罩外表面反射后的传播路径示意图，利用矢量网络分析仪扫频测量S21参数相位
Figure BDA0002366668640000042
本实施例中入射角为62.53°；
S5:保持天线罩位置不变，去除天线罩外表面的导电胶带，再次扫频测量并保存S21参数相位
Figure BDA0002366668640000043
图4为微波信号进入天线罩后经内表面反射的传播路径示意图；
S6:PC机根据测量数据计算天线罩IPD,IPD可下列公式(2)计算得到：
Figure BDA0002366668640000044
其中，h为天线罩罩壁厚度，c为真空中光速，f为电磁波频率，
Figure BDA0002366668640000045
为步骤S4所测相位，
Figure BDA0002366668640000046
为步骤S5所测相位，θ1为布儒斯特角。
本实施例中，天线罩罩壁厚度h为10mm，真空中光速c为3×108m/s，则天线罩IPD为：
Figure BDA0002366668640000051
其中，IPD的单位为rad，f为测量频率，单位为GHz。
图5为天线罩IPD实测值和理论值对比图，可以看出采用本发明方法的IPD实测值与理论值较为接近，图6为天线罩IPD实测值和理论值偏差曲线图，显示了IPD实测值与理论值之差，误差在0.135rad以内，符合测量要求，说明达到了很高的测量精度，验证了本发明方法测天线罩IPD的有效性和准确性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种天线罩插入相位延迟测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1:调整点聚焦透镜天线A与点聚焦透镜天线B的位置，使聚焦透镜天线A与点聚焦透镜天线B焦斑重合在天线罩上,且聚焦透镜天线A与点聚焦透镜天线B成固定夹角，所述固定夹角为两倍的布儒斯特角；
S2:对矢量网络分析仪、点聚焦透镜天线A、点聚焦透镜天线B和稳相电缆进行预处理；
S3:设定测量条件下，矢量网络分析仪对外表面加载有金属反射层的天线罩焦斑位置的S21参数相位
Figure FDA0003119077470000012
进行测量；
S4:天线罩位置、设定测量条件不变，矢量网络分析仪对内表面加载有金属反射层的天线罩焦斑位置的S21参数相位
Figure FDA0003119077470000013
进行测量；
S5：通过插入相位延迟计算公式获得插入相位延迟的大小；
所述插入相位延迟计算公式如下：
Figure FDA0003119077470000011
其中，IPD表示插入相位延迟，h为天线罩罩壁厚度，c为真空中光速，f为电磁波频率，θ1为布儒斯特角。
2.根据权利要求1所述的一种天线罩插入相位延迟测量方法，其特征还在于：步骤S2中的预处理为：设置矢量网络分析仪测量S21参数模式及时域门门限区域、进行TRL校准。
3.根据权利要求1所述的一种天线罩插入相位延迟测量方法，其特征还在于：所述金属反射层采用铜箔或银箔构建。
4.根据权利要求1所述的一种天线罩插入相位延迟测量方法，其特征还在于：所述设定测量如下：入射角为布儒斯特角，点聚焦透镜天线A和点聚焦透镜天线B为平行极化模式。
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